保偏光纖的類(lèi)型和消光比的影響因素

在光纖通信和傳感領(lǐng)域，保偏光纖因其能夠維持光的偏振狀態(tài)而受到重視。本文將探討保偏光纖的類(lèi)型以及影響其消光比的關(guān)鍵因素。

什么是保偏光纖
了解保偏光纖之前，我們先看看什么是偏振特性。
偏振是橫波的一種屬性，指橫波在與其傳播方向垂直的平面內(nèi)沿著某一特定方向振蕩的性質(zhì)。光是一種電磁波，以橫波方式傳播，其電場(chǎng)與磁場(chǎng)都垂直于其傳播方向。
通常，光的偏振方向是指其電場(chǎng)的振蕩方向。光的偏振存在3種偏振態(tài)：完全偏振、部分偏振和完全非偏振。其中完全偏振光又可分為3類(lèi)：當(dāng)其振蕩軌跡為直線時(shí)，即只沿確定的方向振蕩，稱(chēng)為線偏振光；當(dāng)其振蕩軌跡為一橢圓時(shí)，稱(chēng)為橢圓偏振光；當(dāng)其振蕩軌跡為一圓形時(shí)，稱(chēng)為圓偏振光。
自然光屬于完全非偏振光，可看作所有方向上線偏振光的集合，并能轉(zhuǎn)化為偏振光。例如，當(dāng)自然光以特定角度入射兩種不同介質(zhì)的分界面時(shí)，其反射光為線偏振光，透射光為部分偏振光，這個(gè)特定角度就是布儒斯特角，又叫起偏角，此時(shí)其對(duì)應(yīng)的反射光和透射光夾角為90°。自然光和完全偏振光的疊加，即為部分偏振光。

保偏光纖的類(lèi)型
保偏光纖種類(lèi)很多，根據(jù)雙折射的大小，可以分成高雙折射光纖（雙折射系數(shù)B~10-4）和低雙折射光纖（B~10-7-10-9）。根據(jù)雙折射現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理分類(lèi)，可以分成結(jié)構(gòu)雙折射和應(yīng)力雙折射。

具體類(lèi)型的保偏光纖
PANDA型：這是最常見(jiàn)的保偏光纖類(lèi)型，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由兩個(gè)高折射率的硼硅玻璃“熊貓”構(gòu)成，具有較好的偏振保持性能和穩(wěn)定性。
ELLIPTICAL型：這種類(lèi)型的保偏光纖通過(guò)改變纖芯形狀的不對(duì)稱(chēng)性增加光纖的雙折射。
BOW-TIE型：這種類(lèi)型的保偏光纖也是通過(guò)特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)雙折射。
橢圓芯光纖：通過(guò)纖芯的橢圓度來(lái)增加雙折射。
橢圓空芯光纖：在1550 nm處可以獲得較高的雙折射。
橢圓包層型保偏光纖：通過(guò)纖芯處的應(yīng)力雙折射約為10-4。
類(lèi)矩形保偏光纖：應(yīng)力誘導(dǎo)的雙折射達(dá)到了3.98×10-4。

偏振消光比的影響因素
偏振消光比（Polarization Extinction Ratio, PER）是衡量保偏光纖保持偏振態(tài)能力的一個(gè)重要參數(shù)，它定義為兩個(gè)正交偏振態(tài)之間的最大光強(qiáng)比。影響偏振消光比的因素有很多，以下是一些主要的影響因素。雙折射（Birefringence） ：雙折射是保偏光纖中兩個(gè)正交偏振態(tài)之間折射率的差異。雙折射越大，兩個(gè)偏振態(tài)之間的差異越明顯， PER越高。雙折射的大小直接影響偏振態(tài)的分離程度。在保偏光纖中，當(dāng)線偏振光沿光纖的一個(gè)特征軸傳輸時(shí)，部分光信號(hào)可能會(huì)耦合進(jìn)入另一個(gè)與之垂直的特征軸，這會(huì)導(dǎo)致出射偏振光信號(hào)的 PER下降，影響雙折射效應(yīng)。
光纖長(zhǎng)度：光纖長(zhǎng)度對(duì) PER的影響是復(fù)雜的，涉及到光的傳播特性、雙折射效應(yīng)、環(huán)境條件以及光纖的物理特性等多個(gè)因素。在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮這些因素，以確保保偏光纖能夠維持所需的偏振消光比。
溫度變化：溫度的升高會(huì)導(dǎo)致光纖材料的折射率變化，影響雙折射特性，從而影響消光比。在某些情況下，溫度變化引起的熱應(yīng)力也可能導(dǎo)致光纖結(jié)構(gòu)的微小變化，進(jìn)而影響消光比。
應(yīng)力變化：外部應(yīng)力，如機(jī)械壓力或溫度梯度，可以引起光纖內(nèi)部的應(yīng)力分布變化，進(jìn)而改變雙折射特性，影響PER。
光纖材料 ：不同材料的熱光系數(shù)和折射率差異會(huì)影響雙折射。某些材料在溫度變化下折射率變化較大，這會(huì)影響PER。
光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷： 保偏光纖在拉制過(guò)程中，由于光纖內(nèi)部產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)缺陷會(huì)造成保偏性能的下降，即當(dāng)線偏振光沿光纖的一個(gè)特征軸傳輸時(shí)，部分光信號(hào)會(huì)耦合進(jìn)入另一個(gè)與之垂直的特征軸，最終造成出射偏振光信號(hào)偏振消光比的下降。
光纖的連接和耦合 ：光纖接頭和耦合器的偏振依賴(lài)性可能導(dǎo)致偏振態(tài)的變化，這會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的PER。保偏光纖連接器的封裝技術(shù)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)消光比有顯著影響，改善封裝技術(shù)和元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以提高消光比。
光源的偏振態(tài)：如果光源的偏振態(tài)不是完全線性或圓偏振，而是部分混合偏振態(tài)，那么在通過(guò)保偏光纖后，PER會(huì)降低。
光纖的彎曲和扭曲 ：光纖的彎曲和扭曲可以引起局部應(yīng)力，改變雙折射特性，從而影響PER。彎曲半徑越小，影響越大。
光纖的老化和疲勞：長(zhǎng)期受力或環(huán)境影響可能導(dǎo)致光纖材料性能退化，改變其雙折射特性，進(jìn)而影響PER。
環(huán)境因素：濕度和化學(xué)腐蝕可以逐漸改變光纖材料的物理和化學(xué)特性，影響雙折射和PER。
為了確保高PER，需要在設(shè)計(jì)和制造保偏光纖時(shí)考慮這些因素，并在實(shí)際應(yīng)用中采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)控制這些影響因素，如使用溫度穩(wěn)定的材料、優(yōu)化光纖的幾何設(shè)計(jì)、確保光纖接頭和耦合器的偏振保持性能等。

消光比的評(píng)價(jià)及測(cè)量
理論上線偏光的能量完全集中于一個(gè)方向上，消光比無(wú)窮大；圓偏光的能量平均分布于兩正交方向上，消光比為0；橢圓偏振光，消光比介于0和無(wú)窮之間；非偏振光的消光比為0。實(shí)際上，40dB消光比已經(jīng)相當(dāng)高了，低偏光源的消光比一般小于0.5dB。

偏振消光比的測(cè)量方法
旋轉(zhuǎn)檢偏器法：這是一種常用的偏振消光比測(cè)量方法。假設(shè)檢偏器的消光比足夠高，遠(yuǎn)大于光源的消光比并且可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)檢偏器的主軸方向與輸入光的主偏振分量方向重合時(shí)，功率計(jì)探測(cè)到的功率最大；當(dāng)起偏方向與偏振態(tài)主方向正交時(shí)，功率計(jì)探測(cè)到的功率最小。邦加球法：根據(jù)斯托克斯參量來(lái)間接計(jì)算偏振消光比。這種方法通過(guò)測(cè)量光束的不同“偏振含量”來(lái)獲取四個(gè)斯托克斯參數(shù)，從而得到任意激光束的偏振度、方位角和橢圓角。
自動(dòng)測(cè)試方法：包括高消光比測(cè)試方法、自動(dòng)測(cè)試方法、雙調(diào)制測(cè)試方法等。這些方法能夠更加精確地測(cè)量待測(cè)偏振片的消光比，適用于高精度測(cè)量需求。
消光比測(cè)試系統(tǒng)： 曲阜師范大學(xué)的李國(guó)華等人提出了高消光比測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用兩只高精度偏光鏡組成標(biāo)準(zhǔn)起偏系統(tǒng)，通過(guò)連續(xù)旋轉(zhuǎn)待測(cè)偏振模塊并同步記錄透射光強(qiáng)的變化曲線，精確獲取主透射光強(qiáng)的極大值和極小值。系統(tǒng)采用伺服法來(lái)消除光源強(qiáng)度起伏的影響，并使用衰減測(cè)量法來(lái)避免檢測(cè)部分非線性引起的誤差。該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠地測(cè)量不同偏光鏡的消光比，精度優(yōu)于10-6。
減小偏振消光比差異的措施
優(yōu)化寬波導(dǎo)和相移波導(dǎo)的長(zhǎng)度：通過(guò)精確確定寬波導(dǎo)和相移波導(dǎo)的長(zhǎng)度，可以調(diào)節(jié)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x（MZI）兩臂之間的雙折射和臂長(zhǎng)差，從而提高偏振分束器（ PBS）的PER。這種方法可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算來(lái)確定最優(yōu)的波導(dǎo)長(zhǎng)度，以實(shí)現(xiàn)高的PER。
改善封裝技術(shù)：永久性保偏光纖連接器內(nèi)部結(jié)構(gòu)：通過(guò)改善永久性保偏光纖連接器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如光彈效應(yīng)和插芯材料選擇，可以提高消光比。
熱固膠固化程序：研究和優(yōu)化熱固膠的固化程序，以提高消光比。
改善元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：對(duì)保偏光纖連接器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，如調(diào)整耦合裸光纖的插芯細(xì)孔直徑、固定包層光纖長(zhǎng)度等，可以提高消光比性能。
系統(tǒng)優(yōu)化：在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的偏振片，并優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)以提高消光比和整體性能。這可能包括調(diào)整光源的功率和偏振方向、優(yōu)化光路布局等。

審核編輯 黃宇